Dance : enhancing the experimental facility for space vehicles advanced guidance and control testing

Nowadays, there is a great deal of active research into distributed systems, on-orbit servicing (e.g. refuelling or maintenance) and formation flying concepts among space mission designers, as these approaches offer benefits in terms of flexibility, robustness, and cost-effectiveness. However, due to the low maturity level of the required technologies, their wide adoption has yet to take place. This necessitates experimental campaigns aimed at increasing the TRL (Technology Readiness Level) of potential space hardware and software. The Department of Aerospace Science and Technology (DAER) of Politecnico di Milano has launched a project to develop a Device for Autonomous guidance Navigation & Control Experiments (DANCE). The purpose of this project is to carry out researches in the field of on-ground testing and validation of spacecraft relative GNC algorithms. The idea involves the construction of two 5 DOFs vehicles, called DANCERs, that, simulating a microgravity environment, will be able to perform complex relative orientation and positioning on a test-bed ground facility. The present master thesis, whose objective is to reduce the gap to the final operative test of the ongoing project, led to the finalization of the Hardware and the improvement of the on-board Software. Focusing on the attitude subsystem (3 rotational DOFs) of the DANCER, a pre-liminary control mechanism was developed, allowing tests and analysis on the first motion of the integrated system. To achieve the major objectives for the embedded system, this work required a deeper analysis of the hardware, entailing a smart and flexible arrangement of the components, a fluid-dynamic model for the simulation of the pneumatic system, and the design of the electric circuit for signal and power routing. Then, the software was improved developing a new estimation algorithm and design regulator, fundamental for the validation and further investigation about the structure’s dynamics and performance.

Nella pianificazione di missioni spaziali, si assiste al giorno d’oggi ad una crescita di interesse nello sviluppo di concetti quali sistemi distribuiti, attività in orbita (e.g. rifornimento e/o manutenzione) e voli in formazione, poiché tali approcci offrono vantaggi in termini di flessibilità, robustezza e costo. Tuttavia, a causa del basso livello di maturità delle tecnologie richieste, la loro applicazione su vasta scala non è ancora possibile. Sono dunque necessarie attività sperimentali volte ad aumentare il TRL (Technology Readiness Level) di potenziali hardware e software per lo spazio. A tal proposito, il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali (DAER) del Politecnico di Milano ha avviato il progetto DANCE (Device for Autonomous guidance Navigation & Control Experiment), una piattaforma sperimentale per condurre test di navigazione e controllo a guida autonoma. Lo scopo di tale progetto è di svolgere ricerche preliminari a terra di algoritmi di navigazione (GNC) per veicoli spaziali. L’idea consiste nella costruzione di due piattaforme a 5 GDL chiamate DANCERs che, simulando le condizioni di microgravità, saranno in grado di eseguire complesse traiettorie relative sopra un banco di prova appositamente costruito. La presente tesi magistrale, il cui obiettivo è quello di avvicinarsi allo stato operativo finale del progetto in corso, ha portato alla finalizzazione dell’Hardware e al miglioramento del Software di bordo, per poi sviluppare, concentrandosi sul sottosistema dedito all’assetto (3 GDL rotazionali), una logica di controllo preliminare, consentendo così i primi test ed analisi del sistema integrato in movimento. Al fine di raggiungere i principali obiettivi prefissati, è stata richiesta una più approfondita analisi del sistema, conducendo un montaggio intelligente e flessibile dei componenti, un modello fluidodinamico per la simulazione del sistema pneumatico, e la progettazione di un circuito elettrico per l’alimentazione e per il trasferimento di segnali e informazioni. Successivamente, il software è stato migliorato, sviluppando un nuovo algoritmo per la stima dell’orientazione e una logica di controllo, fondamentali per la validazione e per ulteriori indagini sulla dinamica e sulle prestazioni della struttura.